TEMA 9. Conceptos Básicos de Metabolismo - PDF

INTRODUCCIÓN Las células intercambian continuamente materia y energía con su entorno. La materia y la energía intercambiadas se transforman en su interior, con el fin de crear y mantener estructuras celulares, proporcionando la energía necesaria para sus actividades vitales. El conjunto de intercam...

INTRODUCCIÓN Las células intercambian continuamente materia y energía con su entorno. La materia y la energía intercambiadas se transforman en su interior, con el fin de crear y mantener estructuras celulares, proporcionando la energía necesaria para sus actividades vitales. El conjunto de intercambios y transformaciones que tienen lugar en el interior de la célula, debido a procesos químicos catalizados por enzimas constituyen el metabolismo. Hay dos fases en el metabolismo: -Catabolismo o fase de degradación donde las moléculas complejas (azúcares, grasos, proteínas), que vienen del medio exterior o de reservas degradadas a simples moléculas (ácido láctico, amoníaco, dióxido de carbono. Producen energía. -Anabolismo o fase sintética donde las moléculas complejas son sintetizas gracias a moléculas simples. Necesita energía La división del metabolismo y anabolismo tiene un propósito didáctico y no debe pensarse que estos procesos ocurren por separado en el tiempo. 1.FUENTES DE CARBONO Y ENERGÍA DE LOS SERES VIVOS Podemos clasificar los organismos vivos según la fuente de la que obtienen los elemento fundamentales y mayoritarios (en peso seco) de las biomoléculas, también se clasifican por la fuente de obtención del carbono. Según la fuente energética que pueden utilizar, los organismos vivos se pueden clasificar en: Organismos fotótrofos (plantas, algunas bacterias) que extraen energía, a través del sol (mediante FS) Organismos quimiótrofos, que obtienen la energía mediante la oxidación de compuestos químicos que extraen del entorno. Según la fuente de carbono a partir de la que sintetizan sus biomoléculas: -Organismos autótrofos: Son organismos que sintetizan sus biomoléculas a partir de CO2 -Organismos heterótrofos: Son organismos que obtienen sus compuestos orgánicos a partir de otros organismos. La combinación de los dos términos foto y auto: fotoautótrofos como las cianobacterias La combinación de los dos términos quimio y hetero: quimioheterótrofos ya que somos seres humanos. 1 2.CONCEPTO DE RUTA METABÓLICA El metabolismo se organiza en rutas metabólicas, que son series de reacciones enzimáticas consecutivas que generan productos específicos, catalizadas cada una por una enzima distinta. Los precursores, intermediarios y productos de estas rutan son los metabolitos. Estas rutas metabólicas tienen muchas funciones como, por ejemplo: Extracción de energía (glucosa) Almacenamiento de energía, en forma de polisacáridos, grasas, etc. Síntesis de compuestos importantes para la célula. Eliminación de residuos. 3.HOMESOSTASIS La homeostasis es la propiedad de un sistema para mantener estables y relativamente constantes sus condiciones internas (la T, el pH, concentraciones...) a lo largo del tiempo. La composición de un organismo maduro cambia poco en el tiempo, aunque sus moléculas se rompen y sintetizan continuamente. Mantener este estado estable (homeostasis) requiere un suministro continuo de energía. Ejemplo: mantener la concentración de glucosa en sangre dentro de unos límites estrictos, tanto en tiempo de abundancia como de ayuno es un ejemplo de homeostasis La homeostasis se logra manteniendo las concentraciones de la mayoría de los metabolitos (sustratos y productos en una cadena metabólica), aproximadamente constantes. Constantes no quiere decir fijas, moléculas aparecen y desaparecen, pero su concentración en la célula se mantiene constante. El sistema está en estado estacionario, pero en equilibrio dinámico. En el estado estacionario, la velocidad en la síntesis de un metabolito es igual a la velocidad de su desaparición, y las vías metabólicas están en estado estacionario (a menos que se las perturbe). Tras la perturbación se establece un nuevo estado estacionario. 4.CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO -Las rutas metabólicas son irreversibles: aunque la mayoría de las reacciones individuales son reversibles, la presencia dentro de la ruta de reacciones irreversibles hace que sea en general irreversible. -Las vías catabólicas convergen hacia unas moléculas pequeñas finales, a partir de convertir moléculas más grandes. Vía de degradación. Las moléculas orgánicas complejas se degradan a especies más simples. Producción de energía -Las vías anabólicas divergen para sintetizar muchas biomoléculas Ruta de construcción. Biosíntesis de compuestos orgánicos más complejos. Requiere energía La mayoría de las células tienen las enzimas necesarias para llevar a cabo tanto la degradación como la síntesis de categorías importantes de biomoléculas: los ácidos grasos, por ejemplo. Sin embargo, la síntesis y degradación simultánea de ácidos grasos sería un desperdicio. Esto se evita regulando recíprocamente las secuencias de reacciones anabólicas y catabólicas: cuando una secuencia está activa, la otra se suprime. Tal regulación no podría ocurrir si las vías anabólicas y catabólicas fueran catalizadas por exactamente el mismo conjunto de enzimas, operando en una dirección para el anabolismo y en la dirección opuesta para el catabolismo: la inhibición de una enzima involucrada en el catabolismo también inhibiría la secuencia de reacciones en la dirección anabólica. Las vías catabólicas y anabólicas que conectan los mismos dos puntos finales (glucosa →→ piruvato y piruvato →→ glucosa, por ejemplo) pueden emplear muchas de las mismas enzimas; pero, invariablemente, al menos uno de los pasos es catalizado por diferentes enzimas en las direcciones catabólica y anabólica, y estas enzimas son sitios de regulación separada. Esto impide que se solapen ambas vías de una misma ruta metabólica (NO SON exactamente opuestas una a otra). El hecho de que haya rutas independientes permite controlar de forma independiente los dos procesos. Las enzimas que pueden controlar el flujo de la vía son las alostéricas. 5.REACCIONES FAVORABLES Y NO FAVORABLES 2 -La rotura de ciertos metabolitos (vías catabólicas) libera una cantidad significativa energía (exergónica). Ciertos metabolitos (ATP, NADH, NADPH) se pueden sintetizar utilizando la energía de la luz solar y los combustibles. Su concentración celular es mucho mayor que su concentración en equilibrio. -La síntesis de moléculas complejas (anabólicas) y muchas otras reacciones metabólicas requieren energía (endergónica). Una reacción puede ser termodinámicamente desfavorable (ΔG° > 0) (crea orden, requiere trabajo y energía). La reacción metabólica puede tener una barrera demasiado alta (G‡ > 0) (el metabolito es cinéticamente estable). Por tanto, la vía catabólica transfiere energía a la vía anabólica. 6.TERMODINÁMICA La termodinámica estudia, entre otros, las transformaciones energéticas, por lo que es muy útil para el estudio de sistemas biológicos. En termodinámica existen tres tipos de sistemas: -Sistemas aislados, que son sistemas completamente autónomos, que no intercambian materia ni energía con su entorno (Un "termo" completamente aislado del entorno, sería un sistema aislado). -Los sistemas cerrados pueden intercambiar energía, pero no necesariamente con su entorno (una bolsa de agua caliente). - Los sistemas abiertos intercambian energía y materia con el medio ambiente (todos los seres vivos). El tratamiento termodinámico aumenta la complejidad al pasar de sistemas aislados a sistemas abiertos. La bioenergética es el estudio cuantitativo de las transducciones de energía (cambios de una forma de energía en otra) que ocurren en las células vivas, y de la naturaleza y función de los procesos químicos subyacentes a estas transducciones. La energía libre, G, expresa la cantidad de energía capaz de hacer trabajo durante una reacción a temperatura y presión constantes. Cuando una reacción procede con la liberación de energía libre (es decir, cuando el sistema cambia para poseer menos energía libre), el cambio de energía libre, AG, tiene un valor negativo y se dice que la reacción es exergónica. En las reacciones endergónicas, el sistema gana energía libre y AG es positiva. La entalpía, H, es el contenido de calor del sistema reaccionante. Refleja el número y tipos de enlaces químicos (covalentes y no covalentes) en los reactivos y productos. Cuando una reacción química libera calor se dice que es exotérmica; el contenido de calor de los productos es menor que la de los reactivos, y el cambio de entalpía, AH, tiene, por convención, un valor negativo. Sistemas reactivos que toman calor de sus El entorno es endotérmico y tiene valores positivos de AH. La variación de la energía libre estándar está directamente relacionada con la constante de equilibrio A+B→C+D REACCIONES ACOPLADAS En reacciones consecutivas en las que el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente, podemos simplificar escribiendo la reacción global (A→C), donde G '° total es la suma algebraica de los cambios de energía, G' ° 1 y G ' ° 2, de las dos reacciones separadas. 3 Este principio de la bioenergética explica como una reacción desfavorable puede tener lugar, acoplándose a una reacción favorable a través de un intermediario común. De todas formas, la existencia de un intermediario común no es, en sí, suficiente para que una reacción exergónica haga posible una reacción endergónica (falta que ambas estén acopladas). Como consecuencia de las reacciones acopladas, puede producirse una reacción desfavorable (ΔG1 positiva), si se puede acoplar con una reacción favorable (ΔG2 negativa) (si ΔG1 + ΔG2 < 0) -Las reacciones catabólicas liberan energía que se utiliza para sintetizar compuestos ricos en energía. Estos compuestos ricos en energía se utilizan en reacciones anabólicas acopladas que son energéticamente desfavorables. 7.ATP COMO “MONEDA ENERGÉTICA UNIVERSAL” ATP, adenosina trifosfato se encuentra en todas las formas de vida conocidas, que se emplea para conseguir que muchas reacciones con ΔG positivas tengan lugar. Estas reacciones "desfavorables" tienen lugar, porque se acoplan a la reacción de hidrólisis del ATP: se dice que el ATP es la moneda energética universal. SÍNTESIS DE ATP Hay 3 procesos importantes en los que se obtiene ATP: 1. Fosforilación a nivel de sustrato Ejemplo: Por lo tanto, al acoplar las dos reacciones se puede sintetizar ATP. Es una reacción catalizada por la enzima piruvato quinasa en la glicólisis. 2.Fosforilación oxidativa y fotofosforilación. El metabolismo oxidativo y la fotosíntesis generan un gradiente de protones a través de una membrana y la descarga de este gradiente se acopla enzimáticamente a la formación de ATP a partir de ADP y Pi. Este proceso es la fosforilación oxidativa (en el metabolismo oxidativo) y la fotofosforilación (en la fotosíntesis). La fosforilación oxidativa es la mayor fuente cuantitativa de ~Ⓟ en organismos aerobios. El ATP se genera en la matriz mitocondrial a medida que el O2 se reduce a H2O mediante el paso de electrones por la cadena respiratoria 3.Reacción catalizada por la enzima adenilato quinasa. el ATP se rompe para dar AMP y PPi, se convierte en ADP por la enzima adenilato quinasa. Posteriormente, el ADP se convertirá a ATP mediante cualquiera de los procesos anteriores. Adenililcinasa (miocinasa) interconvierte los nucleótidos de adenina 8.REACCIONES DE OXIDACIÓN – REDUCCIÓN Además de transferir grupos de fosfatos, transferir electrones durante las reacciones redox es otro tipo de transferencia de energía que tiene lugar en las vías metabólicas. La mayor parte de la energía libre que utilizan los seres vivos deriva de este tipo de reacciones. Una reacción redox se puede dividir en dos semirreacciones, donde por convención, se escriben como reducciones. 4 Cada semirreacción se caracteriza por un potencial de reducción E’A y E’B. Si E’A > E’B, la reacción que tendrá lugar sería: Determinándose la variación del potencial de reducción ΔE’: La variación de la energía libre estándar ΔG°’: Los potenciales de reducción estándar se utilizan para comparar las afinidades electrónicas de oxidantes y reductores en condiciones estándar. Cuanto mayor sea el potencial de reducción estándar, más fuerte será el oxidante correspondiente (en condiciones estándar. Los electrones se transfieren al oxidante más fuerte (al potencial más positivo o menos negativo. Sin una enzima y su coenzima no se puede catalizar la reacción. En la transferencia de electrones siempre debe haber un aceptor de electrones y un donador de electrones. Cada reacción tiene su potencial de reducción característico. Este se obtuvo comparándolo con el hidrógeno. Aquí se encuentran todas en la dirección de aceptación u oxidación. Por tanto, ¿cómo podemos saber cuál de las dos reacciones da electrones a la otra? Cuando su potencial de reducción sea más bajo (más negativo o menos positivo), es decir, los electrones deben ir siempre hacia el potencial positivo o hacia el menos negativo. 9.PAPEL DE LOS TRANSPORTADORES EN EL METABOLISMO Existen varias moléculas transportadoras de electrones y con poder reductor: NAD+ DINUCLEÓTIDO DE NICOTINAMIDA Y ADENINA El anillo de nicotinamida acepta 2e- y 1H+ (ión hidruro) y se reduce a NADH. El NAD+ y NADP+ son aceptores de e- que participan en las vías metabólicas diferenciadas. Ambos son cofactores comunes de las enzimas. El NAD+ es un aceptor de electrones que participa frecuentemente como coenzima para las enzimas deshidrogenasas (reacciones catabólicas de oxidación de sustratos) y se utiliza en el ciclo de Krebs. En cambio, NADPH es un donador de electrones que frecuentemente participa como coenzima para las enzimas reductasas (reacciones anabólicas de reducción de sustratos anabólicos) y se utiliza en la vía de biosíntesis de los ácidos grasos. Se utiliza el NADH en el estudio de la actividad enzimática de las deshidrogenasas ya que puede ser medida por espectrofotometría UV a una longitud de onda de 340nm. Por tanto, medir a esta longitud de onda es muy útil a la hora de estudiar la cinética de las deshidrogenasas dependientes de NAD. OTRAS COMO FAD y FMN Otros transportadores de electrones son los nucleótidos de flavina, que pueden transportar uno o dos electrones 10.MECANISMOS DE REGULACIÓN METABÓLICA Las vías se controlan para regular los niveles de metabolitos 5 Los dos objetivos principales de la regulación (control) del metabolismo son: - Hacer que la velocidad de una ruta metabólica se adapte a las necesidades de la célula. -Que dos vías opuestas (degradación y síntesis) de la misma vía no estén activas al mismo tiempo. La regulación metabólica puede ejercerse a varios niveles o escalas: Control de la actividad enzimática: aumentando o disminuyendo la actividad de una enzima determinada. La actividad enzimática está regulada por la interacción con sustratos, productos y efectores alostéricos y por la modificación covalente de la proteína enzimática. Control de los niveles enzimáticos: regularse mediante cambios en el número de moléculas de la enzima (expresar más o menos moléculas de la enzima según la necesidad de la célula) Compartimentalización: al existir compartimentos, se especializan en unas vías metabólicas determinadas. Las reacciones secuenciales catalizadoras de enzimas a menudo se asocian, incluso en el citosol, donde las estructuras organizadas son difíciles de visualizar. Regulación hormonal: bioseñales o señal de transducción. 10.1. REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA 1. Las enzimas no reguladoras generalmente exhiben cinética hiperbólica (Michaelis-Menten) - A baja concentración de sustrato, velocidad de reacción proporcional a la concentración de sustrato 2. Las enzimas reguladoras generalmente exhiben una cinética sigmoidal (cooperatividad positiva) ALOSTÉRICAS - Los cambios en las concentraciones de sustrato a niveles fisiológicos normales alteran en gran medida la velocidad de reacción MECANISMOS DE REGULACIÓN -Interacciones no covalentes -Modificaciones covalentes - Cambios en la abundancia de la enzima I. ACCIÓN EN ENZIMAS NO REGULADORAS Los inhibidores son compuestos que disminuyen la actividad de la enzima: a) Los inhibidores reversibles se unen a la enzima y pueden disociarse de ella -A menudo son análogos estructurales de sustratos o productos -A menudo se usan como medicamentos para ralentizar una enzima específica -Los inhibidores reversibles pueden unirse: A la enzima libre y evitar la unión del sustrato Al complejo enzima-sustrato y evitar la reacción b) Los inhibidores irreversibles (inactivadores) reaccionan con la enzima - Una molécula inhibidora puede apagar permanentemente una molécula de enzima -A menudo son toxinas poderosas, pero también se pueden usar como medicamentos TRES INHIBIDORES ENZIMÁTICOS QUE ACTÚAN COMO FÁRMACOS Los tres inhiben la síntesis de prostaglandinas: 6 PARACETAMOL El acetaminofeno, también conocido como paracetamol, se usa comúnmente por sus efectos analgésicos y antipiréticos. Sus efectos terapéuticos son similares a los salicilatos, pero carece de efectos antiinflamatorios, antiplaquetarios y ulcerosos gástricos. ASPIRINA ácido acetilsalicílico El analgésico prototípico utilizado en el tratamiento del dolor leve a moderado. Tiene propiedades antiinflamatorias y antipiréticas y actúa como un inhibidor de la ciclooxigenasa, lo que resulta en la inhibición de la biosíntesis de prostaglandinas. El ácido acetilsalicílico también inhibe la agregación plaquetaria y se usa en la prevención de la trombosis arterial y venosa IBUPROFENO El ibuprofeno, un derivado del ácido propiónico, es un agente antiinflamatorio no esteroideo prototípico (AINE) con propiedades analgésicas y antipiréticas. 10.2. REGULACIÓN MEDIANTE CAMBIOS EN LA CONCENTRACIÓN DE ENZIMAS Enzimas constitutivos: intervienen en las reacciones más importante. Su concentración se mantiene constante. Enzimas inducibles: aumenta o disminuye su concentración en función de las necesidades de la célula. Debe pasar algo en la célula para que active o desactive la transcripción del gen correspondiente. Para regular, se regula desde el ADN, aumentando o disminuyendo la síntesis de mRNA y de la transcripción. Hay genes que codifican para proteínas que se requieren permanentemente (como las enzimas de las vías metabólicas centrales), y que se expresan en un nivel más o menos constante en todos los tipos de células del organismo. Estos genes son los "house keeping genes" y el hecho de que tengan este nivel de expresión constante se le llama "expresión génica constitutiva". Otros genes codifican para proteínas que varían mucho en concentración en respuesta a señales moleculares, y si aumentan la concentración bajo determinadas circunstancias se les llama genes "inducibles" (y el proceso de aumento de su expresión se llama inducción). Productos génicos cuya concentración disminuye en respuesta a ciertas señales se los llama "reprimibles" y el proceso de disminución de su expresión se llama represión. II. REGULACIÓN MEDIANTE MODIFICACIONES IRREVERSIBLES Los zimógenos se activan por modificación covalente irreversible -Activación irreversible: Algunas enzimas están reguladas por la escisión proteolítica de un precursor enzimático - La proteólisis limitada provoca un cambio conformacional que expone el sitio activo III. ENZIMAS REGULADORAS Las enzimas reguladoras generalmente exhiben una cinética sigmoidal (cooperatividad positiva) Los cambios en las concentraciones de sustrato a niveles fisiológicos normales alteran en gran medida la velocidad de reacción CARACTERÍSTICAS Catalizar un paso limitante de la velocidad -Paso inicial único de una vía -Paso irreversible ▪ Requiere energía ▪ A menudo da lugar a un compuesto fosforilado Todas las vías metabólicas están reguladas Cada vía metabólica tiene un primer paso de compromiso 7 Las vías se controlan para regular los niveles de metabolitos ENZIMAS ALOSTÉRICAS COOPERATIVIDAD La unión a un sitio vacante induce afinidades alteradas por los sitios vacantes restantes ▪ Homotrópico: solo sustrato involucrado. El sustrato actúa, también como modulador. ▪ Heterótropo: involucra sustrato y regulador. Son estimuladas o inhibidas por un modulador diferente a la del sustrato. ENZIMAS ALOSTÉRICAS -Exhibir cooperatividad -Compuesto por múltiples subunidades catalíticas y reguladoras ▪ Positivo: la unión de la primera molécula activa la unión de la segunda molécula ▪ Negativo: la unión de la primera molécula inhibe la unión de la segunda molécula -La unión de efectores alostéricos en sitios alostéricos afecta la eficiencia catalítica de la enzima CARACTERÍSTICAS -Caracterizado por curvas de velocidad sigmoidal - Permite grandes cambios en la velocidad de reacción para pequeños cambios en la concentración del sustrato -Facilitar la regulación de las vías metabólicas donde las concentraciones de sustrato presentan pequeñas variaciones -Los moduladores pueden provocar mayores cambios en este tipo de cinética. ACTIVADOR ALOSTÉRICO -Disminuir K0,5 (aumenta la afinidad de unión a la enzima) -Aumenta Vmax (aumenta la eficiencia catalítica de la enzima) IV. REGULACIÓN ENZIMÁTICA MEDIANTE MODIFICACIONES COVALENTES: fosforilación (modificación reversible) Fosforilación y desfosforilación -La fosforilación de proteínas es catalizada por proteínas quinasas -La desfosforilación es espontánea o catalizada por proteínas fosfatasas 8 -Normalmente, los grupos hidroxilo de Ser, Thr o Tyr están fosforilados La figura muestra la fosforilación de una enzima (fosforilasa b) formada por dos subunidades, por una proteína quinasa (en este ejemplo: fosforilasa quinasa) dando una forma enzimática (fosforilasa a) que tiene las dos subunidades fosforiladas en el aminoácido Ser. En particular, la forma fosforilada es más activa que la forma desfosforilada. La fosforilasa a vuelve a su forma anterior, menos activa, la fosforilasa b por la acción de una proteína fosfatasa (PP1Ξ fosfoproteína fosfatasa 1), que elimina los dos grupos fosforilo de la enzima. La figura muestra otras formas de regulación observadas para estas dos formas enzimáticas: tanto la fosforilasa a como la b son activadas por el AMP e inhibidas por el ATP y la glucosa-6-fosfato. 10.3. REGULACIÓN MEDIANTE CAMBIOS EN LA CONCENTRACIÓN DE ENZIMAS 2 tipos: -Enzimas constitutivas -Enzimas inducibles: La inducción es causada por aumentos en la tasa de transcripción de genes Las hormonas activan los factores transcripcionales: o Aumentar la síntesis de ARNm específico o Aumentar la síntesis de enzimas específicas Hay genes que codifican proteínas que siempre son necesarias (como las enzimas en las vías metabólicas centrales), y que se expresan a un nivel más o menos constante en todos los tipos celulares de un organismo. Estos genes se denominan "genes de mantenimiento de la casa" y el hecho de que tengan este nivel constante de expresión se denomina "expresión génica constitutiva". Sin embargo, otros genes codifican proteínas que varían mucho en concentración en respuesta a señales moleculares. Estos productos génicos que aumentan su concentración bajo ciertas circunstancias se denominan "inducibles" y el proceso de aumento de su expresión se denomina inducción. Por otro lado, los productos génicos cuya concentración disminuye en respuesta a ciertas señales se denominan "reprimibles" y el proceso de disminución de su expresión se denomina represión. ¿Como hacen las células para determinar cuáles de sus miles de genes deben transcribirse? El concepto a recordar, aplicable a todas las especies, está basado en un grupo de proteínas que se denominan reguladores transcripcionales (o factores de transcripción), que reconocen secuencias específicas de ADN (de 5 a 10 nucleótidos de longitud, en general), a las que se unen y esta unión, desencadena una serie de eventos que finalmente especificarán qué genes se transcribirán y a qué velocidad. 9 El control de la expresión génica eucariota se puede hacer en cualquiera de las 6 etapas indicadas en la figura: (1) controlando cuándo y con qué intensidad se transcribe un gen (2) controlando el procesamiento del RNA (3) seleccionando qué mRNAs son exportados al citosol y determinando donde se localizan (4) seleccionando qué mRNAs se traducen por los ribosomas (5) seleccionando qué mRNAs se degradan o (6) activar, inactivar, degradar las proteínas tras sintetizadas. Para muchos genes el control del inicio de la transcripción (1) es el más importante, de esta forma se evita la acumulación de intermediarios 10.4. COMPARMENTALIZACIÓN Característica adicional de las vías metabólicas eucariotas: -Ocurren en ubicaciones celulares específicas -Algunas vías sirven tanto en el catabolismo como en el anabolismo (anfibólico) 10.5. REGULACIÓN HORMONAL 1.Vía de señalización de la insulina -Aumenta la importación de glucosa al músculo - estimula la actividad de la hexoquinasa muscular -Activa la glucógeno sintasa 2. El aumento de la actividad de la hexoquinasa permite la activación de la glucosa 3. La glucógeno sintasa produce glucógeno para el almacenamiento de energía 10